Nathanael Pringsheim entstammte einer bekannten schlesischen Kaufmannsfamilie jüdischer Abstammung, Pringsheim. Er heiratete 1851. Seine Ehefrau starb 1893. Seine Tochter Margarethe heiratete den Chemiker Albert Ladenburg aus Mannheim.
Prof. Dr. phil. Pringsheims Spezialgebiet war die Erforschung der Algen. Er war 1851 Privatdozent an der Universität Berlin, 1864 Professor für Botanik an der Universität Jena und Direktor des Botanischen Gartens. 1868 wechselte er als Professor für Botanik wieder an die Universität Berlin.
Am 29. März 1860 wurde er zum ordentlichen Mitglied an der Akademie der Wissenschaften Berlin-Brandenburg ernannt mit Bestätigung vom 9. Mai. Am 30. Juni 1864 wurde er Ehrenmitglied. Außerdem gehörte er zu den Gründungsmitgliedern der Berliner Gesellschaft für Anthropologie, Ethnologie und Urgeschichte.
1882 gründete er in Berlin die Deutsche Botanische Gesellschaft (DBG) und war Herausgeber der Jahrbücher für wissenschaftliche Botanik. Die Nathanael-Pringsheim-Gesellschaft zur Förderung der Biologischen Anstalt Helgoland e.V. in Hamburg wurde nach ihm benannt.